Kopš “Vispārējās relativitātes zelta laikmeta” sešdesmitajos gados zinātnieki ir uzskatījuši, ka lielu daļu Visuma veido noslēpumaina neredzama masa, kas pazīstama kā “Dark Matter”. Kopš tā laika zinātnieki ir mēģinājuši atrisināt šo noslēpumu ar divvirzienu pieeju. No vienas puses, astrofiziķi ir mēģinājuši atrast daļiņu kandidātu, kas varētu ņemt vērā šo masu.
No otras puses, astrofiziķi ir mēģinājuši atrast teorētisko bāzi, kas varētu izskaidrot Dark Matter uzvedību. Līdz šim debašu centrā bija jautājums par to, vai tas ir “karsts” vai “auksts”, un aukstumam ir relatīva vienkāršība. Tomēr jauns pētījums, kuru vadīja Hārvarda-Smitsona astrofizikas centrs (CfA)
Tas balstījās uz galaktiku veidošanās kosmoloģiskām simulācijām, izmantojot Visuma modeli, kas ietvēra interaktīvo Dark Matter. Simulācijas veica starptautiska pētnieku grupa no CfA, MIT Kavli Astrofizikas un kosmosa pētījumu institūta, Leibnica Astrofizikas institūta Potsdamas un vairākām universitātēm. Pētījums nesen parādījās Karaliskās astronomiskās biedrības ikmēneša paziņojumi.
Dark Matter ir pienācīgi nosaukts, runājot par to. Iesācējiem tas veido apmēram 84% no Visuma masas, bet ne izstaro, neabsorbē un neatstaro gaismu vai citu zināmu starojuma veidu. Otrkārt, tam nav elektromagnētiskā lādiņa un tas nav mijiedarbīgs ar citām matērijām, izņemot caur smagumu, kas ir vājākais no četriem pamata spēkiem.
Treškārt, tas nesastāv no atomiem vai to parastajiem celtniecības blokiem (t.i., elektroniem, protoniem un neitroniem), kas veicina tā noslēpumaino raksturu. Rezultātā zinātnieki teorē, ka tai jābūt veidotai no kāda jauna veida matērijas, kas atbilst Visuma likumiem, bet neparādās parasto daļiņu fizikas pētījumos.
Neatkarīgi no tā patiesās būtības, Dark Matter ir dziļi ietekmējis kosmosa evolūciju kopš apmēram 1 miljarda gadu pēc Lielā sprādziena. Faktiski tiek uzskatīts, ka tai ir bijusi galvenā loma visā, sākot no galaktiku veidošanās līdz kosmiskā mikroviļņu fona (CMB) starojuma izplatīšanai.
Turklāt kosmoloģiskos modeļus, kuros tiek ņemta vērā Dark Matter loma, papildina novērojumi par šiem diviem ļoti atšķirīgajiem kosmisko struktūru veidiem. Tie ir arī atbilstoši kosmiskajiem parametriem, piemēram, Visuma paplašināšanās ātrumam, ko pats ietekmē noslēpumains, neredzams spēks (pazīstams kā “Dark Energy”).
Pašlaik visplašāk pieņemtie Dark Matter modeļi pieņem, ka tā nav mijiedarbīga ar citām vielām vai starojumu (ieskaitot sevi) ārpus gravitācijas ietekmes - t.i., ka tā ir “auksta”. Tas ir tas, kas pazīstams kā Cold Dark Matter (CDM) scenārijs, ko LCDM kosmoloģiskā modeļa veidā bieži apvieno ar Tumšās enerģijas teoriju (kuru pārstāv Lambda).
Šī Dark Matter teorētiskā forma tiek saukta arī par
“[CDM] ir visvairāk pārbaudīts un vēlamais modelis. Tas notiek galvenokārt tāpēc, ka pēdējās četrās desmitgadēs cilvēki ir smagi strādājuši, lai veiktu prognozes, par standarta paradigmu izmantojot auksto Dark Matter - pēc tam tos salīdzina ar reāliem datiem - ar secinājumu, ka kopumā šis modelis spēj reproducēt plašu novēroto parādību klāstu plašā mērogā. ”
Kā viņš to raksturo, aukstā Dark Matter scenārijs kļuva par priekšteci pēc tam, kad kosmiskās evolūcijas skaitliskās simulācijas tika veiktas, izmantojot “karsto Dark Matter” - šajā gadījumā neitrīno. Tās ir subatomiskās daļiņas, kas ir ļoti līdzīgas an
Šīs simulācijas parādīja, ka paredzamie sadalījumi neizskatījās nekas tāds, kā to dara Visums šodien, ”piebilda Bose. “Šī iemesla dēļ sāka domāt par pretēju robežu - daļiņām, kurām piedzimstot gandrīz nav ātruma (aka.“ Auksts ”). Simulācijas, kurās tika iekļauts šis kandidāts, daudz ciešāk atbilst mūsdienu Visuma novērojumiem.
“Pēc tādu pašu galaktiku klasterizācijas testu veikšanas kā iepriekš, astronomi atrada satriecošu vienošanos starp modelētajiem un novērotajiem Visumiem. Turpmākajās desmitgadēs aukstās daļiņas tika pārbaudītas, izmantojot stingrākus, bez triviāliem testiem, nevis tikai ar galaktiku apvienošanu, un tas parasti ir izturējis katru no tām ar lidojošām krāsām. ”
Vēl viens pievilcības avots ir fakts, ka aukstajam tumšajam materiālam (vismaz teorētiski) jābūt tieši vai netieši atklājamam. Tomēr šajā gadījumā CDM nonāk nepatikšanās, jo visi līdz šim veiktie mēģinājumi atklāt vienu daļiņu ir bijuši neveiksmīgi. Kā tādi kosmologi ir apsvēruši citus iespējamos kandidātus, kuriem būtu vēl mazāks mijiedarbības līmenis ar citām matērijām.
To ar savu pētnieku komandu centās noteikt CfA astronoms Sownak Bose. Pētījuma nolūkā viņi koncentrējās uz “silto” tumšo lietu kandidātu. Šāda veida daļiņām būtu spēja smalki mijiedarboties ar ļoti vieglām daļiņām, kas pārvietojas tuvu gaismas ātrumam, kaut arī mazāk nekā ar interaktīvāko “karsto” šķirni.
Jo īpaši tas varētu būt spējīgs mijiedarboties ar neitrīniem, bijušo HDM scenārija priekšteci. Tiek uzskatīts, ka neitrīni ir ļoti izplatīti karstā agrīnā Visuma laikā, tāpēc mijiedarbojošās Tumšās vielas klātbūtnei būtu bijusi spēcīga ietekme.
"Šajā modeļu klasē Dark Matter daļiņām ir atļauta ierobežota (bet vāja) mijiedarbība ar tādām izstarojošām sugām kā fotoni vai neitrīni," sacīja Dr Bose. "Šis savienojums agrīnā laikā atstāj diezgan unikālu iespaidu uz Visuma" vienreizīgumu ", kas daudz atšķiras no tā, kas varētu būt sagaidāms, ja Tumšā matērija būtu auksta daļiņa."
Lai to pārbaudītu, komanda vadīja modernākās kosmoloģiskās simulācijas superdatoru telpās Hārvarda un Islandes universitātē. Šajās simulācijās tika apskatīts, kā gan silto, gan tumšo vielu klātbūtne ietekmēs galaktiku veidošanos no aptuveni 1 miljarda pēc Lielā sprādziena līdz 14 miljardiem gadu (aptuveni tagadne). Teica, ka Dr. Bose norādīja:
“Mēs vadījām datoru simulācijas, lai iegūtu izpratni par to, kā šis Visums varētu izskatīties pēc 14 miljardiem gadu ilgas evolūcijas. Papildus modelēšanai Dark Matter, mēs iekļāvām arī vismodernākos ieteikumus zvaigžņu veidošanai, supernovu un melno caurumu iedarbībai, metālu veidošanai. utt.”
Pēc tam komanda salīdzināja rezultātus savā starpā, lai identificētu raksturīgos parakstus, kas atšķir vienu no otra. Viņi atrada, ka daudzām simulācijām šīs interaktīvās Dark Matter ietekme bija pārāk maza, lai būtu pamanāma. Tomēr tie bija sastopami dažos atšķirīgos veidos, it īpaši tā, kā attālās galaktikas ir izplatītas visā kosmosā.
Šis novērojums ir īpaši interesants, jo to nākotnē var pārbaudīt, izmantojot nākamās paaudzes instrumentus. "Veids, kā to izdarīt, ir Visuma vienreizīguma kartēšana šajos agrīnajos laikos, aplūkojot ūdeņraža gāzes sadalījumu," skaidroja Dr Bose. "Novērojot, šī ir vispāratzīta tehnika: agrīnajā Visumā mēs varam noteikt neitrālu ūdeņradi, apskatot tālu galaktiku (parasti kvazāru) spektrus."
Īsāk sakot, gaismai, kas no mums brauc no tālām galaktikām, ir jāiet cauri starpgalaktiskajai videi. Ja vidējā vidē ir daudz neitrāla ūdeņraža, emisijas līnijas no galaktikas tiks daļēji absorbētas, savukārt, ja to būs maz, tās netraucēs. Ja Dark Matter patiešām ir auksts, tas parādīsies daudz “vienkāršāka” ūdeņraža gāzes sadalījuma veidā, turpretī WDM scenārijs radīs svārstīgus gabalus.
Pašlaik astronomiskajiem instrumentiem nav nepieciešamās izšķirtspējas, lai izmērītu ūdeņraža gāzes svārstības agrīnajā Visumā. Bet, kā norādīja Dr Bose, šis pētījums varētu dot stimulu jauniem eksperimentiem un jaunām iespējām, kas būtu spējīgas veikt šos novērojumus.
Piemēram, tāds IR instruments kā Džeimsa Veba kosmiskais teleskops (JWST) varētu izmantot, lai izveidotu jaunas kartes ūdeņraža gāzu absorbcijas sadalījumam. Šīs kartes spēs vai nu apstiprināt interaktīvās Dark Matter ietekmi, vai arī izslēgt to kā kandidātu. Ir arī cerība, ka šis pētījums iedvesmos cilvēkus domāt par kandidātiem, kas pārsniedz tos, kas jau ir apsvērti.
Visbeidzot, Dr Bose sacīja, ka patiesā vērtība nāk no fakta, ka šāda veida teorētiskās prognozes var pamudināt novērojumus uz jaunām robežām un pārbaudīt to, kas, mūsuprāt, ir zināms, robežas. "Un tas ir viss, kas patiesībā ir zinātne," viņš piebilda, izsakot prognozi, ierosinot metodi tās pārbaudei, eksperimenta veikšanai un pēc tam teorijas ierobežošanai / izslēgšanai! "
